KR100588854B1 - 자동차 엔진의 중량가변형 밸런스샤프트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔진의 운전상태에 따라 밸런스샤프트의 중량을 가변시킬 수 있는 중량가변형 밸런스샤프트에 관한 것이다.

본 발명은 중공의 밸런스샤프트와 매스(Mass)로서 수은과 구동원으로서 펌프 및 밸브류를 채용하여 엔진 시동시 및 저속시에는 밸런스샤프트의 내부를 비워서 가볍게 하고, 엔진 중속시 및 고속시에는 각각 밸런스샤프트의 내부에 수은을 공급하여 무겁게 하는 방식으로 엔진의 운전상태에 따라 밸런스샤프트의 중량을 가변시켜줌으로써, 엔진의 시동성을 확보하고, 중고속시 마찰손실을 효과적으로 저감하여 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 자동차 엔진의 중량가변형 밸런스샤프트를 제공한다.

밸런스샤프트, 관성력, 가변중량, 수은, 시동성, 마찰손실

Description

자동차 엔진의 중량가변형 밸런스샤프트{Variable weight balance shaft for vehicle engine}

도 1은 자동차 엔진의 밸런스샤프트를 보여주는 사시도

도 2는 본 발명에 따른 중량가변형 밸런스샤프트를 보여주는 단면 사시도

도 3은 도 2의 요부 확대 단면도

도 4는 본 발명에 따른 중량가변형 밸런스샤프트의 저속시 상태를 보여주는 단면 사시도

도 5는 본 발명에 따른 중량가변형 밸런스샤프트의 중고속시 상태를 보여주는 단면 사시도

도 6은 본 발명에 따른 중량가변형 밸런스샤프트의 제어로직을 보여주는 순서도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 밸런스샤프트 11 : 기어

12 : 회전축 13 : 챔버

14a,14b : 솔레노이드 밸브 15 : 수은펌프

16 : 수은탱크 17 : 불평형질량부

18 : 그루브 19 : O-링

20a,20b : 커플러

본 발명은 엔진의 운전상태에 따라 밸런스샤프트의 중량을 가변시킬 수 있는 중량가변형 밸런스샤프트에 관한 것이다.

특히, 중공의 밸런스샤프트를 채용하여 엔진 시동시 및 저속시에는 내부를 비워놓고 엔진 중속시 및 고속시에는 내부에 수은을 채우는 방식으로 밸런스샤프트의 중량을 가변시켜줌으로써, 엔진의 시동성 향상을 도모하고, 마찰손실저감으로 중고속시 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 자동차 엔진의 중량가변형 밸런스샤프트에 관한 것이다.

일반적으로 엔진의 피스톤-크랭크 계통의 거동에서는 피스톤, 콘로드, 크랭크에 각각 왕복운동과 회전운동에 의한 관성력이 발생하게 되는데, 피스톤-크랭크 계통의 움직임을 상세히 비교해 보면 실제 관성력은 완전히 상쇄되지 않는 것을 알 수 있다.

이것은 왕복운동을 하는 피스톤과 회전운동을 하는 크랭크가 콘로드로 결합되어 있는 구조상의 이유로 인한 것이다.

예를 들면, 피스톤이 움직여서 가속하여 최고 속도에 도달하는 점은 스크로 크의 중간점보다는 상사점측에 접근하고 있기 때문이다.

이 결과, 크랭크의 회전은 일정하기 때문에 각 실린더의 크랭크 관성력(1차 관성력)은 잘 상쇄되지만, 피스톤의 관성력은 윗방향 관성력이 아랫방향 관성력보다 큰 경향으로 나타난다(2차 관성력).

이러한 관성력은 심한 진동과 이로 인한 소음을 유발하게 되므로 최근의 자동차 엔진에는 밸런스샤프트를 대부분 설치하여 회전 중 밸런스를 유지하면서 진동을 감쇄시키고 있다.

예를 들면, 크랭크샤프트에 2개 정도의 밸런스샤프트를 평행하게 설치하고, 기어 또는 스프로킷 및 체인을 이용하여 크랭크샤프트의 2배 속도로 구동시킴으로써, 엔진에서 특유하게 발생하는 관성력에 의한 진동을 저감시킬 수 있다.

위와 같은 밸런스샤프트(10)는, 도 1에 도시한 바와 같이, 편심되는 질량을 갖기 위해 일측으로 쏠려 일체로 형성되는 불평형질량부위를 가지면서 크랭크샤프트(100)의 구동력을 기어(11)를 통해 전달받아 2배속으로 회전하는 회전축(12)으로 이루어져 있으며, 피스톤-크랭크 운동계에 의해 발생하는 관성력(불평형력)을 상쇄시킬 수 있도록 되어 있다.

그러나, 위와 같은 종래 밸런스샤프트 구조의 경우 엔진의 관성력을 상쇄시켜 진동 및 소음을 저감시켜주는 효과를 제공하고 있으나, 엔진 시동시 및 저속시에는 이러한 밸런스샤프트가 저항으로 작용되어 시동성을 떨어뜨리는 단점이 있고, 또 중속 및 고속 영역에서 동일한 마찰저항 조건하(중속시에는 고속시에 비해 밸런스샤프트에 의한 관성력 저감이 크게 요구되지 않음에도 불구하고)에 있어 불필요 한 동력 소모를 가져오게 하는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 중공의 밸런스샤프트와 매스(Mass)로서 수은과 구동원으로서 펌프 및 밸브류를 채용하여 엔진 시동시 및 저속시에는 밸런스샤프트의 내부를 비워서 가볍게 하고, 엔진 중속시 및 고속시에는 각각 밸런스샤프트의 내부에 수은을 공급하여 무겁게 하는 방식으로 엔진의 운전상태에 따라 밸런스샤프트의 중량을 가변시켜줌으로써, 엔진의 시동성을 확보하고, 중고속시 마찰손실을 효과적으로 저감하여 연비 향상을 도모할 수 있도록 한 자동차 엔진의 중량가변형 밸런스샤프트를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 크랭크샤프트에 의해 구동되면서 엔진의 피스톤-크랭크 운동계의 밸런스를 유지하는 밸런스샤프트에 있어서, 내부에는 수은을 채울 수 있는 챔버가 조성되어 있고 다수의 솔레노이드 밸브의 개폐동작을 통해 공급받는 수은을 이용하여 중량을 가변시킬 수 있는 회전축과, 상기 회전축상에 장착되어 챔버 내의 수은을 유입시키는 수은펌프 및 수은 제공을 위한 수은탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전축의 챔버는 수은펌프의 전면에 형성되는 그루브를 통해 수은을 공급받고 또 이곳을 통해 수은을 배출시킬 수 있도록 된 구조로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 챔버는 회전축의 내부에 환형단면구조로 형성되어 있는 것을 특 징으로 한다.

또한, 상기 수은펌프는 회전축의 커플러와 상호 조립되면서 전동가능한 커플러를 구비하여 회전축에 의해 구동되도록 된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 중량가변형 밸런스샤프트를 보여주는 단면 사시도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에서 제공하는 밸런스샤프트(10)는 크랭크샤프트의 회전력을 기어(11)를 통해 전달받아 구동하는 회전축(12)과 이곳에 일체 형성되는 불평형질량부(17)로 구성되며, 재질은 기존의 S45C에서 알루미늄 재질로 대체되어 중량을 크게 저감시킨 구조로 되어 있다.

특히, 상기 밸런스샤프트(10)는 내부를 중공으로 제작하고 이곳에 매스로서 수은을 채우는 방식으로 그 중량을 가변시켜 줌으로써, 엔진의 운전상태에 따라 밸런스샤프트(10)로 인한 저항에 효과적으로 대처할 수 있도록 되어 있다.

이를 위하여, 상기 회전축(12)의 내부에는 수은을 채울 수 있는 챔버(13)가 갖추어져 있다.

이때의 챔버(13)는 축에 대해 동심원상으로 환형단면구조를 갖는 중공부로 되어 있다.

상기 챔버(13)에는 솔레노이드 밸브의 개폐작동에 따라 수은이 채워질 수 있 고, 또 내부에 채워져 있던 수은이 빠져나갈 수 있도록 되어 있다.

본 발명에서 제공하는 솔레노이드 밸브(14a),(14b)는 총 2개로 구성되어 있으며, 1개는 수은펌프(15)의 흡입측과 연결되는 부분에 설치되고, 나머지 1개는 회전축(12)의 챔버(13)측과 연결되면서 수은의 리턴측 부분에 설치된다.

또한, 회전축(12)의 한쪽 끝에는 실린더 블럭상에 브라켓 등에 의해 고정 지지되는 수은펌프(15)가 설치되며, 수은펌프(15)의 작동에 의해 수은탱크(16)에 저장되어 있는 수은이 각 챔버로 공급될 수 있게 되는 동시에 회전축(12)의 동력으로 수은펌프(15)가 구동될 수 있게 된다.

예를 들면, 도 3에 도시한 바와 같이, 회전축(12)의 한쪽 끝에는 커플러(20a)가 형성되고, 수은펌프(15)의 구동축에도 커플러(20b)가 형성되며, 상기 각각의 커플러(20a),(20b)가 서로 결합되므로서, 회전축(12)의 회전에 의해 수은펌프(15)가 구동될 수 있게 된다.

또한, 상기 수은펌프(15)의 케이싱에는 그루브(18)가 형성되어 있으며, 이때의 그루브(18)는 회전축(12)에 있는 챔버(13)와 통하면서 그 일측은 수은펌프(15)의 토출측과 연결되고 다른 일측은 수은의 리턴을 위해 별도의 통로를 통해 수은탱크(16)측과 연결된다.

또한, 회전축(12)의 챔버(13)와 그루브(18) 간의 연결부위 주변으로는 O-링(19)이 설치되어 있어서 수은의 누출을 방지할 수 있는 구조가 조성된다.

이러한 솔레노이드 밸브들과 수은펌프는 ECU에 의해 제어되도록 회로구성이 되어 있다.

따라서, 이와 같이 구성되는 중량가변형 밸런스샤프트의 작동상태를 첨부한 도 4 내지 도 6을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

기본적으로 엔진의 운전상태, 즉 엔진 RPM이 ECU에 입력되면 ECU의 출력에 의해 밸브류 및 펌프의 작동이 제어된다.

1) 시동시 및 저속시

수은펌프(15)의 흡입측 솔레노이드 밸브(14a)는 닫히고, 챔버(13)의 리턴측 솔레노이드 밸브(14b)는 열린다.

즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 수은펌프(15)의 작동에 의하여 챔버(13)에는 공기가 채워지게 된다.

이렇게 밸런스샤프트의 내부가 비워져 있게 되어 가벼워지므로 시동시 크랭킹 RPM이 상승되면서 높은 시동성을 확보할 수 있게 된다.

여기서, 운전 후 시동을 오프시킬 때 저속으로 운전하였다가 오프시키기 때문에 밸런스샤프트 내의 챔버에는 공기로 채워져 있다.

2) 중속시 및 고속시

수은펌프(15)의 흡입측 솔레노이드 밸브(14a)는 열리고, 챔버(13)의 리턴측 솔레노이드 밸브(14b)는 닫힌다.

즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 수은펌프(15)의 작동에 의하여 챔버(13)에 수은이 채워지게 된다.

이렇게 밸런스샤프트의 내부에 수은이 채워지면서 밸런스샤프트의 중량이 무거워지게 되고, 이때에는 자체 중량을 통해 엔진에서 발생하는 관성력을 상쇄시키 는 역할을 수행하게 되며, 고속시에 비해 마찰손실 발생률을 줄일 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 엔진 시동시 및 저속시에는 내부를 비워서 중량을 가볍게 하고, 엔진 중속시 및 고속시에는 내부에 수은을 채워서 중량을 무겁게 하여 엔진의 운전상태에 따라 중량을 가변시킬 수 있는 밸런스샤프트를 제공함으로써, 엔진 시동시 우수한 시동성을 확보할 수 있는 장점이 있으며, 차량의 속도에 따라 밸런스샤프트로 인한 마찰손실을 효과적으로 저감시켜 연비를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 크랭크샤프트에 의해 구동되면서 엔진의 피스톤-크랭크 운동계의 밸런스를 유지하는 한편, 내부에는 수은을 채울 수 있는 챔버(13)가 조성되어 있고 다수의 솔레노이드 밸브(14)의 개폐동작을 통해 공급받는 수은을 이용하여 중량을 가변시킬 수 있는 회전축(12)과, 상기 회전축(12)상에 장착되어 챔버(13) 내의 수은을 유입시키는 수은펌프(15) 및 수은 제공을 위한 수은탱크(16)를 포함하는 자동차 엔진의 중량가변형 밸런스샤프트에 있어서,

   상기 회전축(12)의 챔버(13)는 수은펌프(15)의 전면에 형성되는 그루브(18)를 통해 수은을 공급받고 또 이곳을 통해 수은을 배출시킬 수 있도록 된 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 중량가변형 밸런스샤프트.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 챔버(13)는 회전축(12)의 내부에 환형단면구조로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 중량가변형 밸런스샤프트.
4. 크랭크샤프트에 의해 구동되면서 엔진의 피스톤-크랭크 운동계의 밸런스를 유지하는 한편, 내부에는 수은을 채울 수 있는 챔버(13)가 조성되어 있고 다수의 솔레노이드 밸브(14)의 개폐동작을 통해 공급받는 수은을 이용하여 중량을 가변시킬 수 있는 회전축(12)과, 상기 회전축(12)상에 장착되어 챔버(13) 내의 수은을 유입시키는 수은펌프(15) 및 수은 제공을 위한 수은탱크(16)를 포함하는 자동차 엔진의 중량가변형 밸런스샤프트에 있어서,

   상기 수은펌프(15)는 회전축(12)의 커플러(20a)와 상호 조립되면서 전동가능한 커플러(20b)를 구비하여 회전축(12)에 의해 구동되도록 된 것을 특징으로 하는 자동차 엔진의 중량가변형 밸런스 샤프트.

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